DE19645150C2 - Optische Anordnung zur Symmetrierung der Strahlung von Laserdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Symmetrierung der Strahlung von Laserdioden nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zur Herstellung von Hochleistungslaserdiodenanordnun­ gen werden eine Mehrzahl von Laserdioden in fester Zuordnung zu sogenannten Laserdiodenbarren nebenein­ ander angeordnet. Derartige Laserdiodenbarren mit optischen Ausgangsleistungen im Bereich bis etwa 30 W bestehen üblicherweise aus mehreren in einer Reihe angeordneten Laserdioden als Einzelemittern mit einer geometrischen Abmessung der abstrahlenden Fläche zwi­ schen etwa 50 × 1 µm und etwa 200 × 1 µm, wobei die lineare Anordnung dieser Emitter stets in Richtung ihrer größten Ausdehnung erfolgt. Die Ausgangsstrah­ lung dieser Laserdiodenbarren ist extrem unsymme­ trisch. Für die meisten praktischen Anwendungen solcher Laserdiodenbarren, zum Beispiel zum Pumpen von Festkörperlasern, für Zwecke der Materialbearbeitung und medizinische Zwecke wird ein symmetrisches Bündel hoher Strahldichte benötigt. Für einen breiten Ein­ satz von Hochleistungsdiodenlasern in den genannten Gebieten sind somit möglichst kompakte optische Sy­ steme zur Strahlsymmetrierung erforderlich.

Es sind Anordnungen zur Symmetrierung der Strahlung von Hochleistungslaserdioden bekannt, die beispiels­ weise spezielle Strahlendrehelemente in Form von Prismen verwenden, wodurch die von den einzelnen Emittern ausgesandten Strahlenbündel räumlich typi­ scherweise um 90° gedreht werden (US 5 168 401, EP 0 484 276). In einer anderen Anordnung durchläuft die Ausgangsstrahlung der Laserdioden ein System aus zwei schwach zueinander geneigten hochreflektierenden Flä­ chen derart, daß sich am Ausgang dieses Systems eine geeignete Rekonfigurierung des Laserdiodenbündels ergibt (WO 95/15510). In allen Fällen wird ein weit­ gehend symmetrisches Ausgangsbündel geschaffen, wel­ ches sich gut fokussieren läßt.

In CH 682 698 A5 wird ein Verfahren zur Fokussierung einer linearen Anordnung von Strahlungsquellen be­ schrieben, dessen wesentliches Merkmal der Einsatz je eines Strahldrehelements pro Strahlungsquelle zur Symmetrierung der Abstrahlung des gesamten Strahler­ arrays ist.

Nachteilig an diesen bekannten Systemen ist insbeson­ dere die Kompliziertheit der verwendeten mikrooptischen Elemente, wobei dies insbesondere für die Strahlendrehung gilt, bei der eine Realisierung für größere Emitterzahlen im Laserdiodenbarren als äu­ ßerst schwierig erscheint, der hohe Justieraufwand des Gesamtsystems und die fehlende Möglichkeit zur preisgünstigen Herstellung solcher Systeme.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur Symmetrierung der Strahlung einer Mehrzahl von in fester Zuordnung nebeneinander angeordneten Laserdio­ den zu schaffen, die unter Verwendung vergleichsweise einfacher mikrooptischer Komponenten die Ausgangs­ strahlung ohne Strahldichteneinbußen bei verbessertem optischen Wirkungsgrad und gleichzeitiger Verringe­ rung der Abmessungen der Anordnung transformiert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß eine Mikrozylinderlinse in geneigter Orientierung zum Laserdiodenbarren angeordnet wird, das heißt um die als z-Achse bezeichnete optische Achse gekippt wird, erhalten die Ausgangsbündel der Einzelemitter jeweils unterschiedliche Abstrahlwinkel und werden somit in genügend großem Abstand hinter der Linse in der gewünschten Richtung senkrecht zu der Richtung der linearen Anordnung der Einzelemitter getrennt. Durch ein nachgeschaltetes optisches erstes Ablenkelement, das im weiteren als Direktionselement bezeichnet wird, wird die Ausgangsstrahlung der ein­ zelnen Laserdioden bzw. Emitter in der Richtung der linearen Anordnung der einzelnen Laserdioden so umge­ lenkt, daß in einem vorgegebenen Abstand hinter dem Direktionselement die Bündelschwerpunkte in dieser Richtung zusammenfallen. Dadurch, daß weiterhin hin­ ter dem Direktionselement ein zweites Ablenkelement, im weiteren als Redirektionselement bezeichnet, an­ geordnet ist, das die Ausgangsstrahlbündel der ein­ zelnen Laserdioden derart umlenkt, daß die vom Direk­ tionselement erzeugten Ablenkwinkel wieder kompen­ siert werden, wird insgesamt eine einfache und ko­ stengünstige Anordnung zur Strahlformung zur Verfü­ gung gestellt, die gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte optische Effizienz aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­ stellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die optische Anordnung zur Symmetrie­ rung der Strahlung einer Mehrzahl von Laserdioden in zwei verschiedenen Ebe­ nen mit den Strahlengängen,

Fig. 2 die optischen Strahlengänge in den zwei Ebenen für eine in der Mitte des Laserdiodenbarrens angeordnete Laser­ diode, und

Fig. 3 die Strahlengänge einer am Rand des Laserdiodenbarrens angeordneten Laser­ diode.

Bei der in Fig. 1 dargestellten optischen Anordnung zur Strahlformung ist mit 1 ein Hochleistungs-Laser­ diodenbarren bezeichnet. Der Laserdiodenbarren 1 weist eine Mehrzahl von in y-Richtung nebeneinander angeordneten einzelnen Laserdioden oder Einzelemitter 2 auf, die einen festen Abstand zueinander haben. Ein typischer Laserdiodenbarren 1 besitzt in der Richtung der Nebeneinanderordnung (y-Richtung) eine Abmessung von 10 mm, wobei die Einzelemitter, zum Beispiel 16, in einer Linie angeordnet sind. Die Abmessung der Emitter in y-Richtung variiert zwischen etwa 50 µm und 200 µm und ist abhängig vom konkreten Laserdio­ dentyp. Die Divergenz der Ausgangsstrahlung jeder einzelnen Laserdiode ist in der in Fig. 1 oben darge­ stellten y-z-Ebene relativ gering, der halbe Öff­ nungswinkel beträgt etwa 6°. In der zu der y-Richtung senkrechten Richtung (x-Richtung) betragen die Abmes­ sungen der einzelnen Laserdioden etwa 1 µm, wobei die Größe durch die Epitaxie vorgegeben ist. Entsprechend ist die Divergenz der Ausgangsstrahlung in der in Fig. 1 unten dargestellten x-z-Ebene deutlich größer und der halbe Öffnungswinkel ist etwa 30°. Zwischen den einzelnen Laserdioden bzw. Emitter befinden sich Bereiche, in denen keine Strahlung abgestrahlt wird.

Die aufgrund der unterschiedlichen Abmessungen in x- und y-Richtung auftretende extreme Unsymmetrie der Ausgangsstrahlung ist für viele Anwendungen ungün­ stig. Eine Symmetrierung der Ausgangsstrahlung erfor­ dert eine Unordnung der Strahlbündel der einzelnen Laserdioden derart, daß sie in der ursprünglich stark divergenten Richtung (x-Richtung) linear angeordnet sind.

Parallel zu dem Laserdiodenbarren 1 ist eine Kollima­ tor-Mikrozylinderlinse 3 angeordnet, die, wie in Fig. 1 unten angedeutet ist, um die z-Achse, die die opti­ sche Achse darstellt, gekippt ist. Die Mikrozylinder­ linse 3 ist so ausgebildet, daß sie eine ausreichend große Isoplanasie aufweist. Die jeweiligen Ausgangs­ strahlbündel 7 der einzelnen Laserdioden 2 werden jeweils für sich kollimiert, erhalten durch die Nei­ gung der Mikrozylinderlinse 3 unterschiedliche Ab­ strahlwinkel bezüglich der ursprünglichen optischen Achse (z-Achse in Fig. 1) und werden so, in der x- Richtung gesehen, in der Höhe versetzt bzw. getrennt. Die Strahlung in der y-z-Richtung der einzelnen La­ serdioden 2 geht unverändert durch die Zylinderlinse hindurch. Als Kollimator-Mikrozylinderlinse kann eine gradientenoptische Mikrozylinderlinse mit einem ein­ dimensionalen oder auch zweidimensionalen Brechzahl­ profil verwendet werden. Auch können Asphären-Mikro­ zylinderlinsen eingesetzt werden, wobei hier jedoch eine außeraxiale Anordnung zu einer Verschlech­ terung der Kollimation führt. Weiterhin ist die Ver­ wendung einer Fresnel-Zylinderlinse, einer Plankon­ vex- oder Biokonvexlinse einschließlich Faserlinse (runder Querschnitt) sowie einer Mehrkomponenten-Zy­ linderoptik, bestehend aus zwei oder mehreren der oben beschriebenen Einzellinsen denkbar.

Hinter der Mikrozylinderlinse 3 ist ein optisches Direktionselement 4, das beispielsweise als Achromat ausgebildet sein kann, angeordnet. Anstelle des Achromaten können auch andere Linsen verwendet wer­ den, beispielsweise eine Bikonvex- oder Plankonvex­ linse mit sphärischen oder asphärischen Oberflächen oder eine Bikonvex- oder Plankonvex-Zylinderlinse. Wie aus Fig. 1 oben zu erkennen ist, werden die Aus­ gangsstrahlenbündel 7 der einzelnen Laserdioden 2 in der Richtung der linearen Anordnung der einzelnen Laserdioden 2 im Barren 1, das heißt in der y-z-Ebene so umgelenkt, daß in einem bestimmten Abstand hinter dem Direktionselement 4 die Bündelschwerpunkte zusam­ menfallen, d. h., in der y-Richtung liegen in dem vor­ bestimmten Abstand die Strahlbündel übereinander. In der x-z-Ebene werden die Strahlenbündel nur geringfü­ gig beeinflußt.

In dem vorbestimmten Abstand, bei dem gemäß Fig. 1 oben die Schwerpunkte der einzelnen Strahlenbündel zusammenfallen, ist ein optisches Redirektionselement 5 angeordnet, das die Strahlbündel der einzelnen Laserdioden so ablenkt, daß die durch das Direktions­ element 4 in der y-z-Ebene erzeugten unterschiedli­ chen Einfallswinkel korrigiert werden, d. h., daß die vom Direktionselement erzeugten Neigungswinkel zur z- Achse bzw. optischen Achse wieder kompensiert werden. Das Redirektionselement 5 muß für die Erzielung der unterschiedlichen Ablenkungswinkel linear angeordnete unterschiedliche Ablenkbereiche aufweisen und kann beispielsweise aus schmalen prismatischen Körpern bestehen. Die Realisierung eines solchen Redirek­ tionselementes 5 ist jedoch recht aufwendig. Eine einfachere Ausführungsform besteht in einem Gitter­ array mit ablenkenden Gittern.

Nach dem Redirektionselement 5 verlaufen die Strahl­ bündel der einzelnen Laserdioden 2 in bezug auf die y-z-Ebene in gleicher Richtung, das heißt die Strah­ lung der einzelnen Laserdioden 2 liegt entsprechend Fig. 1 oben hinter dem Redirektionselement überein­ ander. In der x-z-Ebene entsprechend Fig. 1 unten behalten die einzelnen Bündel 7 weiter ihre zueinan­ der divergenten Richtungen bei.

Dem Redirektionselement 5 ist eine Fokussieroptik 6 nachgeschaltet, die beispielsweise aus Achromaten bestehen kann, und die Strahlbündel 7 der einzelnen Laserdioden 2 lassen sich nun sowohl in der y-z-Ebene als auch in der x-z-Ebene sehr gut in einen weitest­ gehend symmetrischen Strahlfleck geringer Abmessung konzentrieren, wie aus Fig. 1 zu erkennen ist. Diese Strahlung kann in dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel dann mit hoher Effizienz in eine optische Faser 8 eingekoppelt werden.

In Fig. 2 und Fig. 3 werden optische Strahlengänge dargestellt, die für das folgende Ausführungsbeispiel berechnet wurden. Zur Kollimation der stark divergen­ ten Abstrahlrichtung (x-Richtung) und Ablenkung der kollimierten einzelnen Strahlbündel 7 ebenfalls in der x-Richtung wird eine gradientenoptische (GRIN) Zylindermikrolinse 3 verwendet, die in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel eine Abmessung in x-Richtung von 300 µm aufweist. Durch Schrägstellen der gradientenoptischen Mikrozylinderlinse 3 in bezug auf den Laserdiodenbar­ ren 1 durch eine Drehung um die z-Achse um etwa 1° werden die einzelnen Laserdioden 2 in bezug auf die optische Achse der Mikrozylinderlinse 3 unterschied­ lich stark versetzt, und zwar so, daß die Mittenemit­ ter bzw. die mittleren Laserdioden praktisch nicht, die Randemitter, d. h. die am Rande des Laserdioden­ barrens 1 liegenden Laserdioden 2, am stärksten au­ ßeraxial kollimiert werden. Dies führt zu einer Ab­ lenkung der kollimierten Bündel bezüglich der z-Achse nach der Mikrozylinderlinse 3. Wie aus Fig. 2 und 3 jeweils in der unteren Darstellung zu erkennen ist, führt die außeraxiale Anordnung bei der verwendeten Mikrozylinderlinse 3 nicht zu einer Verschlechterung der Kollimation, was bei Asphären-Mikrozylinderlinsen möglich ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird weiterhin für das Direktionselement 4 ein han­ delsüblicher Achromat mit einer Brennweite im Bereich 50 mm verwendet. Fig. 2 und 3 zeigen die unter­ schiedlichen Ablenkungen durch den Achromaten 4 für einen Mittenemitter und einen Randemitter, wobei in Fig. 2 die Strahlung für den Mittenemitter und in Fig. 3 die Strahlung für den Randemitter dargestellt ist. Der zusätzliche Linseneffekt (Divergenzreduk­ tion) des Achromaten 4 ist nur von sekundärer Wir­ kung.

In der Ebene des Redirektionselementes 5 entstehen bei der konkreten Ausführungsform folgende Verhält­ nisse:
In der y-z-Ebene (obere Darstellungen in Fig. 2 und 3) liegen alle Strahlbündel 7 der Einzelemitter bzw. einzelnen Laserdioden 2 zentrisch. Die Einfallswinkel bezüglich der z-Achse liegen dabei zwischen 0° für den Mittenemitter und ± ungefähr 6° für die beiden Randemitter entsprechend der Breite des Laserdioden­ barrens 1 von 10 mm, d. h. die Randemitter liegen 5 mm außeraxial. Naturgemäß liegt die zentrische Lage der einzelnen Strahlbündel 7 dann vor, wenn die Redirek­ tionsebene im Abstand der Brennweite hinter dem Achromaten 4 liegt. Bei der oben angegebenen typi­ schen Divergenz der Ausgangsstrahlung der Laserdioden 2 in der y-z-Ebene von ungefähr 6° (halber Öffnungs­ winkel) ergibt sich eine Bündelbreite in y-Richtung in der Redirektionsebene von etwa 10 mm.

In der x-z-Ebene (untere Darstellungen in Fig. 2 und 3) ergeben sich auf dem Redirektionselement 5 für die oben angegebenen Abmessungen und Abstände eine Breite der Strahlbündel der einzelnen Emitter bzw. Laserdio­ den 2 von ungefähr 0,5 bis 0,6 mm, je nach tatsächli­ cher Emitterdivergenz in dieser Ebene. Um zum Bei­ spiel für einen Laserdiodenbarren 1 mit 16 Emittern die zugehörigen einzelnen Strahlbündel trennen und separat umlenken zu können, ist ein Abstand der Bün­ delschwerpunkte in x-Richtung von 0,6 mm notwendig. Dies bedeutet, daß die beiden Strahlbündel der Rande­ mitter in der x-Richtung um etwa ±6° ausgelenkt wer­ den müssen (siehe Fig. 3). Dies erfordert die oben erwähnte Schrägstellung der Mikrozylinderlinse 3 um ungefähr 1°. Die Gesamtausdehnung der Ausgangsstrahlung der Laserdioden in x-Richtung beträgt dann etwa 10 mm (16 Emitter × 0,6 mm).

Im Ergebnis entsteht in der Redirektionsebene ein nahezu symmetrisches Gesamtbündel mit einem Bündel­ querschnitt von 10 mm × 10 mm, bestehend aus einer Reihe von in x-Richtung übereinander angeordneten Einzelbündeln, die wiederum den in y-Richtung ange­ ordneten einzelnen Emittern 2 des Laserdiodenbarrens 1 zuzuordnen sind, d. h. die Gesamtstrahlung in der x-y-Ebene besteht aus 16 übereinanderliegenden Strahlbündel der Abmessung in x-Richtung von 0,6 mm und in y-Richtung von 10 mm. Somit ist die für die nachfolgend vorgesehene effiziente Fokussierung not­ wendige Symmetrierung erreicht.

Das Redirektionselement 5 muß jedoch noch die in Fig. 1 oben dargestellten unterschiedlichen Einfallswinkel der Strahlbündel der einzelnen Laserdioden 2 in der y-z-Ebene korrigieren. Durch die in x-Richtung ent­ sprechend Fig. 1 unten vorliegende räumliche Trennung der einzelnen Strahlbündel kann die Korrektur in der Redirektionsebene prinzipiell realisiert werden, wo­ bei für jedes einzelne Strahlbündel eine unterschied­ liche Ablenkung notwendig ist. Im in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen diese Ab­ lenkwinkel zwischen 0° für das Strahlbündel des Mit­ tenemitters und 6° für die Strahlbündel der Randemit­ ter. Entsprechend den Abmessungen der Strahlbündel in der Redirektionsebene müssen die einzelnen ablenken­ den Bereiche dabei eine Breite von 0,6 mm in x-Rich­ tung und mindestens 10 mm in y-Richtung aufweisen. Im Ausführungsbeispiel wird anstelle des klassischen Aufbaus mit 16 schmalen prismatischen Körpern ein Gitterarray unter Nutzung der Möglichkeiten der Mikrostrukturierung aus 16 unterschiedlich ablenkenden schmalen Bereichen verwendet, wobei eine Realisierung des Gitterarrays mit den geforderten maximalen Ab­ lenkwinkeln von nur 6° Gitterperioden technisch rela­ tiv einfach möglich ist.

Für die abschließende Fokussierung des Gesamtbündels in einen möglichst kleinen Fleck werden im Ausfüh­ rungsbeispiel zwei handelsübliche Achromaten mit Brennweiten von 50 mm und 60 mm verwendet. Mit dieser Fokussieroptik 6 werden Bündelbreiten im Fokus von etwa 0,2 × 0,2 mm erzeugt, und zwar mit einer Konver­ genz des Bündels von etwa 6° halber Öffnungswinkel. Bei stärkerer Fokussierung wird das Bündel im Fokus entsprechend kleiner.

Claims (11)

1. Optische Anordnung zur Symmetrierung der Strah­ lung einer Mehrzahl von in fester Zuordnung in y-Richtung nebeneinander angeordneten Laser­ dioden, die in z-Richtung abstrahlen und deren Abstrahlung in der xz- und yz-Ebene unsymme­ trisch ist, wobei den Laserdioden eine Zylinder­ linsenoptik nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsenoptik (3) um die optische Achse (z-Achse), die senkrecht zu der xy-Ebene steht, gekippt angeordnet ist und die Ausgangs­ strahlbündel der einzelnen Laserdioden in die x- Richtung kollimiert und zueinander versetzt und dabei trennt, daß der Zylinderlinsenoptik (3) ein erstes Ablenkelement (4) nachgeschaltet ist, das die Strahlbündel der einzelnen Laserdioden (2) in der y-Richtung mit jeweils unterschiedli­ chen Ablenkwinkeln derart umlenkt, daß in einem vorgegebenen Abstand die Schwerpunkte der Licht­ intensitäten der einzelnen Strahlbündel zusam­ menfallen und daß im Abstand in Strahlausbrei­ tungsrichtung nach dem ersten Ablenkelement (4) ein zweites Ablenkelement (5) angeordnet ist, das die unterschiedlichen Ablenkwinkel der Strahlbündel zur optischen Achse (z-Achse) wie­ der kompensiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß dem zweiten Ablenkelement (5) eine Fo­ kussieroptik (6) nachgeschaltet ist, die die durch das zweite Ablenkelement hindurchtretenden Strahlenbündel auf einen Strahlungsfleck konzen­ triert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zylinderlinsenoptik (3) eine gradientenoptische Mikrozylinderlinse (GRIN), eine Asphären-Mikrozylinderlinse, eine Fresnellinse, eine Plankonvex- und Bikonvexlinse und/oder eine Kombination derselben aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die gradientenoptische Mikrozylinder­ linse ein in die erste Richtung eindimensionales Brechzahlprofil aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die gradientenoptische Mikrozylinder­ linse ein zweidimensionales Brechzahlprofil auf­ weist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Ablenkele­ ment (4) als Achromat oder als Bikonvex- oder Plankonvexlinse mit sphärischen oder asphäri­ schen Oberflächen oder als Bikonvex- oder Plan­ konvex-Zylinderlinse ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Ablenkelement (5) als Feld von Ablenkgittern ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Ablenkele­ ment (5) als Prismenfeld ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ablenkbereiche oder Pris­ men mit jeweils unterschiedlichen Ablenkwinkeln des Ablenkgitterfeldes oder des Prismenfeldes in der x-Richtung nebeneinander angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Breite der Ablenkbereiche oder der Prismen in der x-Richtung dem Abstand der Schwerpunkte der Strahlbündel in x-Richtung auf der Ebene des zweiten Ablenkelementes (5) ent­ sprechen.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik (6) aus Achromaten gebildet ist.